基于μC/OS-II+NiosII的电力谐波分析仪的研究

近年来，随着电力电子技术的快速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，加之随着高压直流输电技术的应用和整流器、变频调速器等大量非线性负载的使用，使电网中产生了大量的高次谐波，造成了电压电流波形发生严重的畸变。当电网中存在的谐波成分超过限制标准时，将严重影响电力系统和用电设备运行的安全性、可靠性、稳定性和经济性，同时也严重污染了周围的电气环境。而关于谐波的问题涉及许多方面，其中谐波检测是谐波问题的一个重要分支，也是解决其他谐波问题的重要前提[1]。因此，对于谐波分析装置的研究对谐波污染的治理具有重要的意义。

目前，在对电网的谐波进行在线检测和分析时，常采用采样数字式分析装置，在其系统软件设计中，多采用单任务无顺序机制。这种机制使系统的安全性得不到完全保证，常常出现安全性差的问题[2]。而这个问题对于稳定性、实时性、准确性、快速性要求很高的谐波分析装置来说是不允许的。因此，在系统设计中，引入具有强实时性和抢占式多任务的嵌入式操作系统μC/OS-II作为操作平台，可以使系统的稳定性有很大的改善，使应用程序模块化，从而提高代码的可读性、可扩展性和可移植性，加快了程序开发的速度[3]。
本文分析了电力系统谐波测量要求以及μC/OS-II在NiosII上的移植来实现精确的谐波检测。

1 系统设计

1.1 μC/OS-II实时操作系统简介

μC/OS-II是基于优先级的抢占式实时多任务内核，优先级算法效率高，任务切换速度快，其性能与其他商业内核类似，其特点与优势可以概括为以下几个方面[4]：

(1)公开源代码：源代码清晰易读且结构协调，注解详尽，组织有序。

(2)可移植性：μC/OS-II源码绝大部分是用移植性很强的ANSI C编写的，而与微处理器硬件相关部分则采用汇编语言编写，并且压到了最低限度。只要该处理器有堆栈指针，有CPU内部寄存器入栈出栈指令就可以移植μC/OS-II。

(3)可裁剪：可以只使用μC/OS-II中应用程序需要的那些系统服务。这种可裁剪性是靠条件编译实现的。

(4)占先式：μC/OS-II完全是占先式实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最高的任务。

(5)多任务：可以管理64个任务，但系统保留了8个任务，应用程序最多可以有56个任务。赋予每个任务的优先级必须是不相同的。

(6)可确定性：全部μC/OS-II的函数调用和服务的执行时间具有可确定性，即它们的执行时间是可知的，也就是说，μC/OS-II系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。

(7)任务栈：每个任务有自己单独的栈，μC/OS-II允许每个任务有不同的栈空间。

(8)系统服务：μC/OS-II提供多种系统服务，如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。

(9)中断管理：中断可使正在执行的任务暂时挂起，中断嵌套层数可达255层。

(10)稳定性与可靠性：μC/OS-II是基于μC/OS的，μC/OS自1992年以来己有好几百个商业应用。

1.2 硬件平台简介

在本电力谐波分析系统中，其中包括嵌入式微处理器(嵌入式软核处理器NiosII)、FFT运算单元和对采集数据进行处理的信号处理电路，该信号处理电路包括信号获取电路、调理电路和采样转换电路，其中：信号获取电路包括精密电压互感器和精密电流互感器，精密电压电流互感器的输入端用于接收采集的电压电流信号，输出端接调理电路输入端，如图1所示。

从现场取来的电压和电流信号，首先进入精密电压、电流互感器组U1，电压和电流信号经其进行降压限流处理后进入信号调理电路U2；信号调理电路U2可由精密电阻和电位器配合高精度集成运放AD574组成，以完成对电压信号的电平调整；经过精密电压、电流互感器U1、信号调理电路U2处理后，从现场取来的高压、大电流信号就转换成适合后续电路处理的弱电信号，接着该弱电信号进入低通抗混叠滤波电路U3，低通抗混叠电路U3主要由低通抗混叠滤波器组成，用于滤除高频信号成分，使输入到后级电路中的AD转换器的信号为有限带宽信号，该电路U3是以很小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制这个频带以外的频率信号，从而防止信号的频谱发生混叠及高频干扰。在本系统中，低通抗混叠滤波电路U3采用低通抗混叠滤波集成电路Max293低通滤波器，再由后级电路中AD转换器本身各通道都具有内置的抗混叠滤波器并采用∑-△以及过采样技术，使得本系统具有良好的抗干扰能力和抗混叠性能，保证了FFT运算能够得到准确的结果。

1.3 μC/OS-II文件结构与硬件平台关系

μC/OS-II的内核文件结构与硬件平台的关系如图2所示。可以看出，μC/OS-II内核介于硬件平台和用户应用程序之间，通过与CPU相关的几个模块与硬件平台进行交互，为用户应用程序提供良好的应用程序接口(API)[5]。

操作系统把系统软件和硬件部分隔离开来，这样就使得系统的设备操作程序与硬件设备无关，从而大大提高了系统的可移植性。而且软硬件的测试工作都可分别基于操作系统来完成，使得软硬件系统并行进行测试成为可能。